Impact of Aspergillus fumigatus in allergic airway diseases

Fungi and Respiratory Allergy

Fungi is everywhere and responsible for broad spectrum of type I-IV hypersensitivity diseases … 真菌は偏在して、I型からIV型までの幅広い過敏症の原因になる。 最近の疫学的研究により、真菌感作とアレルギー性喘息の増悪との関連性が明確になり、罹患率および死亡率の上昇につながっている。 真菌による主な呼吸器症状には、アレルギー性気管支肺真菌症（ABPM）、真菌感作を伴う重症喘息（SAFS）、過敏性肺炎、真菌性副鼻腔炎およびアレルギー性鼻炎が含まれます . 花粉などの他のアレルゲンとは異なり、真菌は免疫不全患者における侵襲性肺炎の生命を脅かすリスクもあり、ヒトの健康に対する真菌の影響はさらに深刻です。 喘息やアレルギーなどの疾患は、宿主、遺伝子、環境の相互作用によって発症が決定されることが分かってきている。 本総説では、呼吸器アレルギー疾患における糸状菌の役割に焦点を当て、芽胞の除去がうまくいかない宿主-病原体相互作用の結果として、真菌がTヘルパー（Th）2-を介するアレルギー疾患をいかに媒介するか、また、宿主遺伝などの素因が呼吸器疾患の結果をいかに左右するかを論じている。

Epidemiology and Outcomes

糸状菌の中でもアスペルギルス属は喘息や他の呼吸器系アレルギー疾患の増悪に強く関係している。 外因性アレルギー性肺胞炎，喘息，アレルギー性副鼻腔炎，慢性好酸球性肺炎，過敏性肺炎，SAFS，アレルギー性気管支肺アスペルギルス症（ABPA）などアスペルギルス関連疾患の80％以上はA. fumigatusによることが最も多いとされる． ABPA は A. fumigatus による最も複雑なアレルギー症状であり、1952 年に Hinson らによって英国で初めて報告された。 また、Cryptococcus neoformans や Scedosporium apiospermum などの他の真菌も、広くABPMと呼ばれる同様の臨床症状と関連しています。

診断方法の改善や意識の向上によって、最近では慢性ぜんそく (1 ～ 40%) や急性重症ぜんそく (～ 38%) 患者におけるABPAの高い有病率が報告されるようになりました。 また、急性重症喘息患者ではA.fumigatus過敏症の有病率がさらに高い（〜51％）。 A. fumigatus に感作された喘息患者は、肺機能が低下していることが報告されている。 ABPA は嚢胞性線維症 (CF) 患者の最大 7-15% に見られる。 ABPA は喘息のコントロール不良を引き起こし、肺の増悪と有害な結果をもたらします。経口コルチコステロイドに依存すると、二次感染のリスクが高まります . まれに、ABPAは特発性気管支拡張症、慢性閉塞性肺疾患（COPD）、慢性肉芽腫性疾患などの他の肺疾患を合併することが報告されています。 さらに、肺アスペルギローマや慢性壊死性肺アスペルギルス症の患者においても、ABPAが報告されています（総説あり）。 ABPA の診断パラメータには、喘息、レントゲン写真による儚い肺混濁、中枢性気管支拡張、A. fumigatus 抗原に対する I 型および III 型過敏症（以下でさらに深く考察）、末梢血好酸球増多が含まれます . ABPA には、数段階の増悪（急性および再発）と寛解、肺線維化を伴う中心性気管支拡張症、呼吸不全の可能性が含まれます。 しかし、異なるステージのABPA患者すべてがこれらの診断基準を満たすわけではなく、これらの特徴の一部はA. fumigatus過敏症患者や喘息患者の特徴と重複しています。 ABPA患者の予後を改善するためには、診断基準の統一が必要である。

真菌の病原性 & Airway Clearance

ABPAの病原性に関連する最も一般的な素因は、気道における分生子のクリアランスの欠陥である。 気道上皮は第一の防御線として、吸入された真菌の胞子を粘膜繊毛運動によって押し出す。 上皮の繊毛運動によるクリアランスを逃れた真菌胞子は肺胞に到達し、常在の食細胞によって処理される。好中球はエフェクター細胞として、非酸化的あるいは酸化的な反応によって発芽した菌糸体を効率的に殺す。 また、気道骨髄系細胞は、Toll like receptor (TLR) や Dectin-1 などのパターン認識受容体 (PRR) を介して真菌を認識し、炎症性サイトカイン/ケモカインの分泌を刺激する . 休眠状態の分生子は免疫学的に不活性であるため、真菌の芽胞が発芽し、真菌を介したアレルギーが成立するためには、自然免疫防御が破られることが必要である。 芽胞の除去がうまくいかないのは、アレルギー性喘息やその他の慢性肺疾患患者に見られるように、気道上皮の構造異常が主な原因で、芽胞が植物細胞（菌糸）に発芽することを許していると考えられている。 上皮の損傷により、A. fumigatus抗原の肺樹状細胞（DC）への曝露が増加し、DCはナイーブなTh細胞をIL-4、IL-5、IL-13などのサイトカインを分泌してTh2に誘導し、B細胞のIgEアイソタイプスイッチ、A. fumigatus特異的IgG、IgE、総IgE抗体の分泌増加、肺の好酸球流入が引き起こされた。 A. fumigatusのアレルゲン/抗原は、現在までに20種類以上報告されている（http://www.allergen.org）。 さらに、貪食細胞や非貪食細胞から分泌されるMCP-1（Monocyte Chemotactic protein）、RANTES（Regulated on Activation and Normal T-cell expressed）、IL-8、MIP-1α（Macrophage inflammatory protein）などいくつかのケモカインが、ABPAの炎症病態を恒常化させている（

Immunopathogenesis of ABPA in CF patients: 4471>

CFは、上皮細胞の頂膜に存在するcystic fibrosis transmembrane conductance regulator（CFTR）の変異によって引き起こされます。 CFTRの変異は1,500以上知られているが、最も多いのは508位のフェニルアラニンの欠失（ΔF508）であり、これによりCFTRタンパク質がミスフォールディングして小胞体に保持されるようになる． CF 患者の喀痰からは糸状菌がよく分離され、A. fumigatus は最も一般的な真菌種である。 CF 患者における A. fumigatus を介した慢性喘息または ABPA は、肺機能を著しく低下させ、予後不良につながる。 肺浸潤、気管支拡張、閉塞性肺疾患などの診断基準は、ABPA の有無を問わず CF 患者に共通する特徴であるため、CF 患者の ABPA 診断はさらに大きな課題となっています。

ABPA 患者は健常者よりも CFTR 変異の頻度が高いことが知られており、CFTR 変異が A. fumigatus 芽胞の除去に影響を与えていると考えられる。 気管支上皮細胞株とマウス初代気管細胞を用いて、CFTR変異/欠損がA. fumigatus分生子の結合と取り込みに影響を与え、CF細胞による炎症メディエーターの分泌に差異があることを観察した。 アゾール系薬剤で治療されたABPA患者の臨床転帰が改善したとの報告がある。 さらに、抗真菌療法は A. fumigatus に感作された CF 患者の肺機能の改善にもつながっている。 これらの研究は、A. fumigatus が積極的に Th2 型応答の誘発に関与し、それが CFTR 変異の設定において永続することを示している。

いくつかの研究は、CF 遺伝子型とサイトカイン調節異常を関連付け、免疫応答が Th2 型に偏り、CF 上皮細胞による炎症性サイトカインの分泌が増加していることを示した。 これらの研究は、CFTR 変異が A. fumigatus 特異的 CD4+ T 細胞応答のバランスを Th2 型にシフトさせるサイトカインミルーにつながることを示唆している。 また、CF の設定では、A. fumigatus 特異的 CD4+ Th2 細胞の頻度が増加している可能性がある。 Allard らによる研究では、ナイーブな CFTR 欠損マウスの T 細胞は、より高いレベルの Th2 カ イトカインを産生することが示されている . この研究はまた、CFTR欠損または変異を持つマウスが、A. fumigatusの菌糸抗原に対して深遠なTh2媒介性反応を起こすことを示した。 CFTR の変異が Th1/Th2 のバランスを制御していることは、Muller らの研究によってさらに明らかになった。この研究では、CFTR 欠損マウスの ABPA モデルにおいて、リコンビナント切断 CFTR を気管内に投与すると Th2 カインと IgE 抗体のレベルが減少することが示された。 CFTRは上皮細胞以外にも、リンパ球や肺胞マクロファージなどの免疫細胞にも発現している。 Diらは、CFTRを欠損した肺胞マクロファージはリソソームの酸性化が起こらず、病原性微生物の増殖に適した環境になる可能性があることを明らかにした。 CD4+Tリンパ球のCFTR欠損は、カルシウムフラックスの異常を引き起こし、Nuclear factor of activated T-cells (NFAT) の核内転位を増加させ、Th2バイアス反応を引き起こす可能性がある。 最近、Kreindlerらは、CF-ABPA患者のTh2反応性が、DC上のコスティミュレーション分子OX40リガンド（OX40L）の発現に依存しており、in vitroでのビタミンD3添加により減少することを明らかにした。 このように、CF患者は病原体に対する肺の自然免疫と適応免疫の両方において多因子性障害を示し、A. fumigatusの慢性気道感染による宿主免疫の変調がABPAの成立につながる可能性がある。 アスペルギルス種は、気道上皮細胞の IL-6, IL-8 および MCP-1 産生を誘導するプロテアーゼを大量に生産することが知られており、これらの酵素は上皮のタイトジャンクションを破壊し、細胞の落屑を誘導することもある . 最近、Porter らは、A. niger 由来のプロテアーゼがマウスに強固なアレルギー性肺疾患を引き起こすことを報告した

最近では、プロテアーゼがプロテアーゼ活性化受容体 (PAR) を活性化することが指摘されている。 PARは気道細胞やマスト細胞、好酸球、好中球、マクロファージ、リンパ球などの細胞上に存在するGタンパク質共役型受容体である。 現在までに 4 種類の PAR が同定されていますが、PAR-2 は喘息患者の気道で発現が増加していることから、アレルギー性気道疾患において最も重要な受容体であると考えられています。 興味深いことに、傷害を受けた気道上皮細胞はトリプシンを分泌し、これがPAR-2アゴニストとしてアレルギー性炎症反応をさらに悪化させる。 マウスモデルを用いて、PAR-2は肺の好酸球浸潤と気道過敏性を媒介することが報告されており、Th2媒介性反応を悪化させる役割を示唆している。 さらに、PAR-2 は、アレルギー疾患における線維化やIgE 産生の増加を促進する（総説あり）。 PARs シグナルと A. fumigatus に対する炎症反応の制御における TLR の役割も報告されている。 Moretti らの研究によると、A. fumigatus のプロテアーゼは、TLR-4 依存的なメカニズムにより PAR-2 の発現を低下させることで宿主の肺の炎症反応を促進することが報告されている . したがって、気道上皮で増殖した A. fumigatus が分泌するプロテアーゼが、PAR と TLR を介したシグナル伝達経路のクロストークを通じて IgG および IgE を介したアレルギー反応を引き起こし、ABPA などの肺の合併症を引き起こす可能性がある

ぜんそく患者が Th2 型のアレルギー反応を引き起こすには耐性機構の回避も必要である . Kheradmandらの研究では、真菌プロテアーゼには気道耐性を無効にする能力があり、気道に注入すると、アジュバントのプライミングを必要とせずにTh2介在型アレルギー反応を活性化できることが示されました。 DCはまた、TGF-β発現CD4+ T-調節細胞（トレグ）の発達を誘導する免疫調節サイトカインであるIL-10の産生により、肺の寛容性の維持に重要な役割を担っている. 最近の研究では、Kriendlerらは、ABPAでないCF患者コホートからのCD4+ T-cellsは、CF-ABPA患者と比較してTGF-β-expressing Tregsの頻度が増加していることを明らかにした. この研究は、CF-ABPA患者におけるA. fumigatus抗原に対する耐性が欠損しており、ビタミンDの欠乏と相関していることを示唆した。

真菌細胞壁成分

真菌細胞壁は主に、ガラクトマンナン、キチン、α-、β-グルカンなどの多糖から構成されている。 現在、A. fumigatusの分生子の膨潤あるいは発芽した細胞壁はβ-グルカンで構成されており、これがDectin-1を介した炎症反応の引き金になっていることがよく知られている。 デクチン-1活性化DCは、in vivoでTh17およびTh1細胞の分化を促進し、TregをTh17細胞へ変換することもできる . 気道上皮細胞におけるDectin-1の役割はよく分かっていないが、最近の研究では、Mycobacteriaと真菌の抗原でTLR-2を刺激するとDectin-1が表面に発現することが分かっている｝。 CFの気道上皮細胞は、健常者と比較してTLR-4の発現が低下しており、緑膿菌感染に対する自然免疫反応が低下していることが報告されている 。

A. fumigatus 感染モルモットモデルにおいて、キチンが宿主キチナーゼを誘導し、抗真菌処理で減少することが示されている。 また、キチンを投与したマウスでは、肺にIL-4を発現する好酸球や好塩基球の浸潤が見られたが、酸性哺乳類キチナーゼ（AMCase）で前処理したキチンやAMCaseを過剰発現しているマウスでは、このような浸潤は見られなかった。 AMCaseはマウス気道上皮細胞や肺胞マクロファージに発現していることが知られており、キチン含有生物に対する抗真菌性免疫を付与することが報告されている . この点に関して、Chenらは最近、AMCaseによる真菌の活性阻害をin vitroで報告した . このように、さまざまな真菌成分に対する肺の免疫応答が、防御的か病原的かを決定している可能性がある。 HLA-DR2 (DRB1 *1501 and DRB1 *1503) または DR5 アレルの頻度は、 CF や ABPA ではない喘息患者と比較して、 ABPA 患者で高いことが報告されている。 また、HLA-DRB1 *1502がABPA発症に対する抵抗性対立遺伝子であることも示唆された。 彼らは、ヒト化トランスジェニックマウスを用いて、A. DRB1*1501 株と DRB1 *1503 株の fumigatus 感染は、ABPA に似た深刻な病態を引き起こすが、HLA-DRB1 *1502 株は Th1 型防御反応を起こす 。 現在では、T細胞受容体とMHCペプチドリガンドの相互作用が、免疫反応の活性化やTh1/Th2サイトカインのバランスを制御する上で重要な役割を果たすことが明らかになってきている。

Surfactant protein-A (SP-A) gene and mannan-binding lectin (MBL) polymorphisms

Genetic Association Studiesにより、SP-AとMBL遺伝子における多型はABPA発症素因となることが示されている。 Saxenaらは、ABPA患者はマッチさせた対照群に比べ、SP-A2対立遺伝子A1660Gの頻度が高いことを明らかにした。 これと同様に、別の研究でも、ABPA患者はSP-A2遺伝子のT1492CとG1649CのTアレルの頻度が高く、SP-A2の1492のTT遺伝子型（71％）の頻度も対照群より高いことが報告された。 MBL対立遺伝子1011Aを持つ患者は、好酸球増加、総IgE抗体、FEV1値低下など、ABPAと一致する臨床的特徴を有していることが観察された。 アレルギー性および侵襲性アスペルギルス症のマウスモデルを用いて、MadanらによりSP-A/DおよびMBLの治療効果が報告されている（総説あり）。 これらの研究は、A. fumigatusによる炎症とアレルギーの調節因子として、界面活性剤タンパク質とレクチンの役割を示唆している。

サイトカイン遺伝子多型

ABPA患者では、IL-15 +13689*A alleleとA/A遺伝子型の頻度が高く、TNF-α308*A/A遺伝子型は低い . 別の研究では、ABPA患者は細胞外のIL-4受容体αのile75valに一塩基多型（SNP）を持ち、これがIL-4刺激に対する感度を高める可能性があると報告されている . CF 患者における A. fumigatus のコロニー形成リスクの増加は、IL-10 遺伝子のプロモーター領域の多型と関連している。 fumigatusのコロニー形成とABPAとの間に有意な相関がある。

Polymorphisms in Chitinase and Chitinase-like proteins

Chitinases are enzymes known to cleave chitin presence in fungal walls, parasites, insect and crustaceans . 哺乳類の2つのキチナーゼ（AMCaseとCHIT）、およびYKL-40などのキチナーゼ様タンパク質の多型は、喘息感受性に重要な役割を果たすことが報告されている。 AMCase遺伝子の多型は、喘息と関連することが知られている。 また、CHIT1遺伝子の変異はSAFSの患者で報告されており、ABPAの危険因子となりうる。 また、喘息の悪化や入院の増加につながるCHIT1遺伝子のSNPの影響を、カビへの暴露が大きく変化させることが示されており、遺伝子と環境の相互作用が病気の結果を決定する一例となっています。